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题目：4108柴油机配气机构动力学分析及优化

一、选题的依据及意义：

配气机构是发动机的重要组成部分.配气机构的设计影响发动机的充气效率以及换气质量,因此对发动机的(略)经济性、有害排放有较大的影响.配气机构的工作可靠性和噪声直接影响发动机的整机可靠性和噪声.随着发动机性能和排放要求的不断提高,使得配气机构的研制更加迫切. 本文以4108柴油机发动机配气机构为研究对象,对其配气机构参数、配气凸轮型线、动力学等设计原理作了深入研究和分析,并进行优化设计发动机的配气机构,同时对发动机相关系统的优化。

二、国内外研究现状及发展趋势(含文献综述)：

随着内燃机高功率、高速化发展，人们对其性能指标的要求更高，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度。目前广泛采用的是气门-凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。配气机构系统研究内容归纳起来主要有两个方面，一方面是零部件的设计，包括凸型线，气门摇臂机构的设计，气门弹簧及气门等零部件的设计，其中又以凸轮型线的设计尤为关键，这是因为凸轮作为整个机构的原动件，它直接控制整个机构的运动。另一方面是机构的动力学问题，而对于机构动力性能的研究，又主要集中在气门的运动规律上。国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道。国内也在致力于研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等问题，主要表现在以下几个方面：(1)设计了许多性能优良的凸轮型线;(2)配气机构由刚性设计发展为弹性设计;(3)由孤立研究凸轮设计发展到配气机构系统设计。

内燃机配气凸轮的研究已经涉及到配气机构性能的各个方面，包括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。在研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等方面上，国内外都有很大的发展。

现代发动机配气机构采用的技术主要有以下三方面。

1)顶置凸轮轴技术。气门-凸轮式配气机构具有保证气缸密封性的优点，尤其是进排气门能够持久地保证燃烧室的密封性，四冲程内燃机大多采用气门-凸轮式配气机构。气门-凸轮式配气机构按气门布置分为侧置气门和顶置气门机构。顶置气门配气机构，内燃机的充气系数较高，燃烧室比较紧凑，内燃机有较好的性能指标，是侧置气门机构所不能达到的，故侧置气门机构已被淘汰。顶置气门配气机构根据凸轮轴的放置位置分成凸轮轴下置型和顶置凸轮轴型。绝大部分柴油机采用凸轮轴下置型，但这种机构高速运转时会产生较大的惯性力和噪声，消耗较大的动力。顶置凸轮轴型(OHC)是把凸轮轴放在气门上方，省去了推杆、挺柱，可分成SOHC型和DOHC型。 SOHC型只用一根凸轮轴来驱动进、排气门; DOHC型采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门。这种结构适用于进、排气门呈v形排列的内燃机。还有些机构将顶置凸轮轴放在气门室罩里，凸轮直接作用于气门上，这种机构省去了摇臂，高速时气门工作良好，零件惯性力极小，工作平稳。

凸轮轴的传动类型有3种：正时齿轮传动、正时链轮传动和驱动带传动。其中，正时齿轮传动主要用于要求长寿命和大载荷的内燃机，如船用、商用车和赛车内燃机;正时链轮传动，广泛应用于轿车内燃机，一般来说，它比正时齿轮传动机构噪音小;驱动带传动或齿形带传动是最新出现的传动方式，主要用于顶置凸轮轴内燃机上。

2)多气门技术。配气机构的最新发展是改善燃料经济性，其关键在于如何提供更多的新鲜空气，多气门内燃机很早就已经出现了，但仅用于赛车，目的是减轻排气门的热负荷和机械负荷，但并未能在内燃机制造业得到推广。促使多气门内燃机产量迅速提高的原因在于自动控制技术的快速发展和生产工艺水平的不断提高，多气门配气方案能保证内燃机在整个负荷和速度范围内形成最佳混合气，并适时适度送入气缸。多气门内燃机不仅可以提高内燃机功率，还可以降低燃油消耗，减少排污。据分析4气门内燃机燃油消耗比2气门内燃机燃油消耗低6%~8%。

3)可变配气定时及气门升程技术。常规内燃机配气相位都是按内燃机性能要求，通过试验确定某一转速和负荷条件下较为适合的配气相位。为了在更大地曲轴转速范围内提高功率指标，降低燃料消耗，现代多气门内燃机气门开启相位可以改变、升程也可以改变，称作可变气门运动配气机构(VVT)。通过这套机构对配气过程的调节和控制，低、中转速时，活塞运动速度低，气流动力学特性差，因而要求缩小相位重叠角，以减少工作混合气倒流，保证低、中转速时扭矩曲线形状较好，降低燃油消耗率。在中高转速时，活塞运动速度快，气流动力学特性好，因而要求放大相位重叠角，废气排放彻底，进气量充分，可相应增加内燃机扭矩。显然，采用这一机构，可以提高内燃机性能、降低污染、改善怠速性能。

实现可变气门技术有多种途径，按照有无凸轮轴可分为基于凸轮轴的可变气门机构和无凸轮轴的可变气门机构两类。传统气门控制技术都是由凸轮轴机械推动的，电磁气门控制技术采用由电磁驱动的组件推动气门，根据ECU需要进行动作，这也正是VTEC等气门控制技术追求的最高境界。

4)无凸轮电液驱动配气机构。无凸轮电液驱动配气机构是一种新式的配气机构，与传统的凸轮轴式配气机构相比，它的特点是气门的运行由电液来控制它的显著优点是气门在内燃机各个循环中的开启位置、开启持续时间和气门开启时刻的气门升程等可以相互独立所以，采用这种机构的内燃机在工作过程中，能够在各种转速下调整运行参数，并达到最佳所以，采用这种机构的发动机就会消耗较少的燃油，动力性要更好，同时从发动机排出的污染物也降低，起到了保护环境的作用。

5)液压挺柱配气机构。液压挺柱配气机构也是内燃机的设计人员所开发的新式配气机构，配有这种机构的发动机振动和噪声均减小，原因在于它通过液压机构来补偿气门杆身产生的热膨胀，导致配气机构所带来的撞击噪声也相应减小。所以液压挺柱在配气机构中的应用也越来越广泛。

当今内燃机配气机构的发展趋向是在排量不变的前提下，提高内燃机性能指标。不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构，其基本出发点都是，在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优，这是传统配气机构无法完成的。

三、本课题研究内容

(1)在满足性能指标的前提下设计YC4108型柴油机的配气机构。

(2)应用AVL Excite软件建立YC4108柴油机的动力学模型，通过模拟计算，分析该柴油机配气机构的动态特性。经动力学计算，依据气门动力学升程、凸轮与挺准间的动态接触应力和气门落座速度等考察是否存在飞脱和落座反跳等现象。

(3)针对原配气机构存在的问题和对发动机的改进要求，利用AVL Excite软件对配气相位进行优化，并优化设计进排气凸轮型线，通过对改进后的配气机构进行运动学、动力学分析和整机性能分析，判断优化的效果。

四、本课题研究方案

YC4108柴油机是玉柴机器股份有限公司生产的自主品牌发动机，是在玉柴优质产品YC6108柴油机的基础上结合轻型客货车技术特点开发设计的轻型车用柴油机。具有使用维修方便，动力性、经济性好，可靠性高、寿命长的特点，主要用于2-5t小型卡车、货车，同时也用于发电机组、叉车、拖拉机和小型船舶。近几年来，由于市场经济的迅速发展，城区物流行业蓬勃发展，对轻型卡车和商务车的需求量与日俱增，这给轻型车用柴油机带来了无限商机。原机型主要用于城市间的长距离运输，对于城市交通路况需要重新设定参数，以改善燃油经济性和排放性能。本设计任务主要是在原机的基础上，改进设计进气系统及配气机构，达到提升发动机性能的目的。

总体方案：

(1)计算软件简介

本文所使用的AVL ExciteTimingDrive是一种基于WINDOWS操作系统的软件，它是AVL软件平台中一个仿真工具，主要应用于分析内燃机配气机构的性能。该软件具备振动噪音分析、齿轮系动力学计算、正时驱动动力学计算!配气机构动力学计算、凸轮型线设计和优化等功能。根据所建立的运动学和动力学模型，在设定的转速下进行计算，考虑配气机构各传动件的质量、刚度、阻尼等。配气机构动力学计算的分析包括：气门升程、速度、加速度、凸轮与挺柱间接触应力、气门与气门座之间的接触力、弹簧的位移等。ExciteTimingDrive不仅可以用于配气机构的动力学计算，还可以用于配气机构的设计从计算机模拟的角度，使发动机具备较好的动力性和可靠性，同时还降低振动和噪声。此外，该软件还可以分析配气机构传动系统的零部件，包括齿轮、链轮等。通过多次的运算，可以对传动系加以改进，以满足要求。当运用ExcitcTimingDriv进行凸轮型线的设计时，提供了分段加速度函数凸轮、等加速凸轮、多项动力凸轮三种凸轮设计的方法设计凸轮型线，当生成一个新的凸轮型线后，对相应的配气机构做动力学分析，如果出现错误的结果曲线，可以对凸轮型线进行修改，完善配气机构的动力学性能。ExciteTimingDrive的建模原理是很简单的，将配气机构简化成一个集中的质量系统，而相应的凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门等零部件用所对应的模块来代替。该软件提供了配气机构每个元件的模块，在编辑器中用不同的图标来表示。当我们选好对应的图标后,再将各个模块连接起来，就建立起一个配气机构的模型。接着，需要对各个模块中的参数进行设置，不同的模块对应不同的参数，最基本的参数包括质量、刚度、阻尼、弹性模量等，将参数设置完成之后，就可以进行配气机构动力学和运动学分析、齿轮系的运动分析等。

该软件的输出结果包括了模型中各个模块的动力学结果曲线，包括：气门的加速度、速度、升程、凸轮与挺柱间的接触应力、气门与气门座间的接触力、弹簧各圈位移等，并根据这些曲线评价是否存在气门落座反跳、机构零部件飞脱、弹簧并圈与颤振等现象，以及凸轮与挺柱间润滑效果是否良好，如果出现了不好的情况，可以通过该软件进行改进设计，使配气机构的动力学特性满足要求。

(2)YC4108柴油机的性能指标为

柴油机类型:水冷四冲程直列式顶置式气门

气缸数-缸径冲程:4-108mm115mm 连杆长度：L=152mm

排气量:4.214cc 压缩比:17.5

燃烧形式:直接喷射润滑方式:压力循环飞溅复合式

冷却方式:闭式压力循环起到方式:电启动

电机停止方式:燃油控制系统

输出功率:75kW/2800rpm 最大扭矩:268Nm/1600-1900rpm

怠速:600rpm 最大空转:3000rpm

全负荷最低燃油消耗率:225g/kw.h

冷起动温度:-25℃ 排气温度:600℃

(3)在满足上述性能指标的前提下设计YC4108型柴油机的配气机构。

该款发动机配气机构为上置凸轮轴四气门机构，主要由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门桥、气门弹簧、气门、气门座等组成。对于发动机配气机构的动力学计算,需要建立动力学模型,在动力学计算的发展中,出现过多种模型,分别是单质量模型、二质量模型、多质量模型、有限元模型。本文利用AVL Excite软件建立该柴油发动机顶置凸轮轴式配气机构的模型。

　(4)配气机构动力学分析

气门机构的动力学问题，可以作为一个振动系统分析其特性。简化后建立其单自由度模型，并且考虑该系统的阻尼、间隙、脱离、落座等各种因素，凸轮与从动件系统相互影响等，当中的各部件可以作为弹性质点，其刚度为非线性刚度。

对动力学结果评价主要考虑到凸轮与从动件的飞脱、气门落座速度或气门反跳、凸轮接触应力、活塞与气门的干涉以及气门弹簧的动力学特性等。

在AVL Excite软件当中，根据发动机配气机构的实体结构及零部件布置情况，通过外部的CAD 软件或有限元计算得到各部件的质量与刚度，建立该发动机单个气缸的配气机构进气门计算模型如图所示。

(5)凸轮型线的优化设计

针对配气机构进、排气模型，在模拟计算的基础上，从改进配气凸轮型线设计的角度，来研究配气机构性能优化的途径。通过改进配气凸轮型线，综合分析配气凸轮型线设计的主要影响因素及趋势，提出改进设计的配气凸轮型线方案。

五、目标、主要特色及工作进度

目标：在AVL Excite软件当中，对某柴油机的配气机构进行了单阀系的动力学计算，并对结果进行分析，指出了设计上的某些不足;接着又进行了凸轮型线的优化设计，再次进行动动力学计算，与原型线相比，结果有所改善。

特色：1、对配气机构的建模、动力学计算、分析和凸轮型线优化设计做出了较充足的研究。

2、使用AVL软件对配气机构做出了模拟分析。

毕业设计进度计划

序号各阶段工作内容起讫日期备注